I2C接口简介

(资料图片)

I2C接口是由数据线SDA和时钟线SCL构成，在标准模式下通信速度可达到100kHz，快速模式下则可以达到400kHz，增强快速模式可达到1MHz。一帧数据传输从开始信号开始，在结束信号后停止，在收到开始信号后总线被认为是繁忙的，当收到结束信号后，总线被认为再次空闲。I2C接口具有主机和从机模式、多主机功能、可编程建立和保持时间、时钟延展功能、DMA存取数据、支持SMBus 2.0协议等特点。

图1. I2C框图

I2C接口通信

主机通信流程

主机通信初始化

主机时钟初始化

在启动外设(I2CEN)之前，必须先设置I2Cx_CLKCTRL寄存器的各个位用以配置I2C主时钟。

DIV[7：0]：I2C时钟分频；

SDAD[3：0]：数据保持时间（tHD;DAT）

SCLD[3：0]：数据建立时间（tSU;DAT）

SCLH[7：0]：SCL高电平时间

SCLL[7：0]：SCL低电平时间

该寄存器的配置可以使用Artery_I2C_Timing_Configuration时钟配置工具计算，见第三章节。低电平控制：当检测到SCL总线为低电平时，内部SCLL计数器开始计数，当计数值达到SCLL值时，释放SCL线，SCL线变为高电平。

高电平控制：当检测到SCL总线为高电平时，内部SCLH计数器开始计数，当计数值达到SCLH值时，拉低SCL线，SCL线变为低电平，当在高电平期间，如果被外部总线拉低，那么内部SCLH计数器停止计数，并开始低电平计数，这为时钟同步提供了条件。

图2. 主机时钟的产生

主机通信初始化

在启动通讯前须先设定I2C_CTRL2寄存器中的几项参数：

设置传输字节数

≤255字节配置I2C_CTRL2的RLDEN=0，关闭重载模式配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=N

＞255字节配置I2C_CTRL2的RLDEN=1，使能重载模式配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=255剩余传输字节数N=N-255

设置传输结束模式

ASTOPEN=0：软件结束模式，当数据传输完成后，I2C_STS的TDC标志置1，软件设置GENSTOP=1或者GENSTART=1，发送STOP条件或者START条件。

ASTOPEN=1：自动结束模式，当数据传输完成后，自动发送STOP条件。

设置从机地址

设置寻址的从机地址值（I2C_CTRL2的SADDR）

设置从机地址模式（I2C_CTRL2的ADDR10）ADDR10=0：7位地址模式ADDR10=1：10位地址模式

设置传输方向（I2C_CTRL2的DIR）

DIR=0：主机接收数据

DIR=1：主机发送数据

开始传输

设置I2C_CTRL2的GENSTART=1，主机开始在总线上发送START条件和从机地址。

主机10 bits寻址的特殊时序初始化

在10位地址传输模式下，I2C_CTRL2的READH10用于产生特殊时序，当READH10=1时，支持如下传输序：主机先发送数据给从机，然后再从从机读取数据，传输时序图如下图所示：

图3. 10位地址的读访问READH10=1

主机在软件结束模式（ASTOPEN=0）下，发送数据到从机，当数据发送完成后设置READH10=1，然后再从从机接收数据。

图4. 10位地址的读访问READH10=0

主机通信初始化软件接口

主机通信初始化所用到的软件接口通过独立的函数接口实现，如下：

i2c_init函数三个参数分别为：所使用的I2C、数字滤波值和主机时钟配置值。

i2c_transmit_set 函数用于初始化通信参数，包括：所使用的I2C、从机地址、传输字节数、停止条件产生模式和起始条件产生模式。

i2c_addr10_mode_enable函数用于使能10位地址模式。

i2c_addr10_header_enable函数用于使能10位地址头读取时序，即主机发送完整的10位从机地址读序列或主机只发送10位地址的前7位。

主机发送流程

I2C_TXDT数据寄存器为空，I2C_STS的TDIS=1；

向TXDT数据寄存器写入数据，数据开始发送；

重复1、2步骤直到发送CNT[7:0]个数据；

如果此时I2C_STS的TCRLD=1（重载模式），分为以下两种情况：

剩余字节数N>255：向CNT写入255，N=N-255，TCRLD被自动清0，传输继续；

剩余字节数N≤255：关闭重载模式（RLDEN=0），向CNT写入N，TCRLD被自动清0，传输继续。

结束时序

停止条件产生：

软件结束模式（ASTOPEN=0）：此时I2C_STS的TDC置1，设置GENSTOP=1产生STOP条件；

自动结束模式（ASTOPEN=1）：自动产生STOP条件。

等待产生STOP条件，当STOP条件产生时，I2C_STS的STOPF置1，将I2C_CLR的STOPC写1，清除STOPF标志，传输结束。

图5. I2C主机发送流程图

图6. I2C主机发送时序图

主机发送流程软件接口

主机发送通过独立的函数接口实现，如下：

i2c_master_transmit函数为i2c_application.c文件所提供的应用层接口函数，参数包括：I2C结构体指针、从机地址、发送数据指针、发送数据字节数和函数超时时间。

注：此函数为Artery所提供的标准主机发送函数。用户也可根据前述主机发送流程，自行编写主机发送函数。

主机接收流程

当收到数据后，RDBF=1，读取RXDT数据寄存器，RDBF被自动清零；

重复步骤2直到接收CNT[7:0]个数据；

如果此时I2C_STS的TCRLD=1（重载模式），分为以下两种情况：

剩余字节数N>255：向CNT写入255，N=N-255，TCRLD被自动清0，传输继续；

剩余字节数N≤255：关闭重载模式（RLDEN=0），向CNT写入N，TCRLD被自动清0，传输继续。

当在接收到最后一个字节时，主机会自动发送一个NACK。

结束时序

停止条件产生：

软件结束模式（ASTOPEN=0）：此时I2C_STS的TDC置1，设置GENSTOP=1产生STOP条件；

自动结束模式（ASTOPEN=1）：自动产生STOP条件。

等待产生STOP条件，当STOP条件产生时，I2C_STS的STOPF置1，将I2C_CLR的STOPC写1，清除STOPF标志，传输结束。

图7. I2C主机接收流程图

图8. I2C主机接收时序图

主机接收流程软件接口

主机接收通过独立的函数接口实现，如下：

i2c_master_receive函数为i2c_application.c文件所提供的应用层接口函数，参数包括：I2C结构体指针、从机地址、接收数据指针、接收数据字节数和函数超时时间。

注：此函数为Artery所提供的标准主机接收函数。用户也可根据前述主机接收流程，自行编写主机接收函数。

从机通信流程

从机通信初始化

从机地址配置

每个I2C从设备可同时支持2个从设备地址，由OADDR1和OADDR2指定

I2C_OADDR1

通过ADDR1EN使能

通过ADDR1MODE配置为7位（默认）或10位地址

I2C_OADDR2

通过ADDR2EN使能

固定7位地址模式

可通过ADDR2MASK[2:0]来在进行地址匹配比较时屏蔽掉0~7个LSB地址位ADDR2MASK=0表示7位地址中的每一位都要参与匹配比较ADDR2MASK=7表示任何非保留地址的7位地址都会被该从设备应答

从机地址匹配

当I2C启用的地址选中匹配时，ADDRF中断状态标志会被置1，如果ADDRIEN位为1，就会产生一个中断。如果两个从地址都使能，在地址匹配产生ADDR中断时，可以查看状态寄存器中的ADDR[6:0]来得知是OADDR1还是OADDR2被寻址了。

从机字节控制模式（通常SMBus模式下才使用）

从设备可以对每个收到的字节进行应答控制。

所需配置：SCTRL=1 & RLDEN=1 & STRETCH=0 & CNT≥1

从机字节控制流程：

每收到一个字节TCRLD置位，时钟延展于第8和第9个脉冲之间

软件读取RXDT中的值，并决定是否置位ACK

软件重装载CNT=1来停止时钟延展

应答或非应答信号在第9个脉冲时刻出现在总线上

注意：

置位SCTRL时，必须开启时钟延展，即STRETCH=0

CNT可以是大于1的值，来实现多个字节以自动ACK接收完毕后再启动应答控制，从设备发送时推荐关闭SCTRL，此时无需字节应答控制。

从机通信初始化软件接口

从机通信初始化所用到的软件接口通过独立的函数接口实现，如下：

i2c_own_address1_set函数用于配置OADDR1地址模式以及ADDR1地址值。

i2c_own_address2_set函数用于配置ADDR2地址值以及ADDR2屏蔽位。

i2c_own_address2_enable函数用于使能ADDR2地址。

i2c_slave_data_ctrl_enable函数用于使能从机字节控制模式。

i2c_clock_stretch_enable函数用于使能从机时钟延展功能。

i2c_reload_enable函数用于使能发送数据重载模式。

从机发送流程

响应主机地址，匹配时回复ACK；

TXDT为空时，置位TDIS，从设备写入发送数据；

每发送一个字节会收到ACK，且置位TDIS；

如果收到NACK位：

置位NACKF，产生中断；

从设备自动释放SCL和SDA（以便主设备发送STOP或RESTART）；

如果收到STOP位：

置位STOPF，产生中断；

当从机发送开启时钟延展（STRETCH=0）时，在等待ADDRF标志时和发送前一个数据的第9个时钟脉冲后，会把TXDT中的数据拷贝到移位寄存器中，如果此时TDIS还是置位，表示TXDT没有写进待发送数据，将发生时钟延展，如下流程图：

图9. I2C从机发送流程图

需要注意的是，在时钟延展关闭（STRETCH=1）的情况下，如果在将要传输数据的第一个Bit位开始发送之前，也就是SDA边沿产生之前，如果数据还未写入TXDT数据寄存器，那么会发生欠载错误，此时I2C_STS的OUF将会置1，并将0xFF发送到总线。

为了能及时的写入数据，可以在通信开始前，先将数据写入到DT寄存器：软件先将TDBE置1，目的是为了清空TXDT寄存器的数据，然后将第一个数据写入TXDT寄存器，此时TDBE清零。

图10. I2C从机发送时序图

从机发送流程软件接口

从机发送通过独立的函数接口实现，如下：

i2c_slave_transmit函数为i2c_application.c文件所提供的应用层接口函数，参数包括：I2C结构体指针、发送数据指针、发送数据字节数和函数超时时间。

注：此函数为Artery所提供的标准从机发送函数。用户也可根据前述从机发送流程，自行编写从机发送函数。

从机接收流程

当收到数据后，RDBF=1，读取RXDT数据寄存器，RDBF被自动清零；

重复步骤2直到所有数据接收完成；

等待收到STOP条件，当收到STOP条件时，I2C_STS的STOPF置1，将I2C_CLR的STOPC写1，清除STOPF标志，传输结束。

图11. I2C从机接收流程图

图12. I2C从机接收时序图

从机接收流程软件接口

从机接收通过独立的函数接口实现，如下：

i2c_slave_receive函数为i2c_application.c文件所提供的应用层接口函数，参数包括：I2C结构体指针、接收数据指针、接收数据字节数和函数超时时间。

注：此函数为Artery所提供的标准从机接收函数。用户也可根据前述从机接收流程，自行编写从机接收函数。

I2C配置工具

功能简介

I2C配置工具Artery_I2C_Timing_Configuration.exe可以实现对主机和从机的时钟、数字滤波、模拟滤波配置。

资源准备

软件环境Artery_I2C_Timing_Configuration.exe

图13. Artery I2C Timing Configuration

使用步骤

选择芯片型号

选择当前使用的芯片型号，例如可以选择AT32F425。

选择设备模式

Master：主模式，I2C作为主机；

Slave：从模式，I2C作为从机。

选择I2C速度模式

Standard-mode：标准模式，范围0~100kHz；

Fast-mode：快速模式，范围0~400kHz；

Fast-mode Plus：增强快速模式，范围0~1000kHz。

设置I2C速度（单位kHz）

根据实际需求设置I2C通信速度，例如需要通信速度为10kHz，那么这里设置为10。

设置I2C时钟源频率（单位kHz）

根据实际使用的I2C时钟源频率来配置，例如AT32425 I2C时钟源为PCLK1，当AT32425主频为144MHz，APB1为144MHz时，这里设置为144000。

模拟滤波使能

On：打开；

Off：关闭。

模拟滤波使能后，将过滤50ns以下的脉冲。

数字滤波（范围0~15）

数字滤波时间=数字滤波值xTI2C_CLK；

其中TI2C_CLK=1/I2C时钟源频率。

当值为0时，数字滤波关闭，当值>0时将过滤小于数字滤波时间的脉冲。

上升时间（tr单位ns）

SCL和SDA总线的上升沿，如图18所示。I2C协议中规定了在标准模式（Standard-mode）、

快速模式（Fast-mode）、增强快速模式（Fast-mode Plus）下的范围，详情请参照表1。上升时间和上拉电阻的阻值关系很大，上拉电阻越小，上升时间越短，可以支持的通信速度就越快，但是功耗也越高。

表2中给出了一些常用上拉电阻阻值所对应的上升沿时间，实际可能会因为总线挂的设备数量、布线等差异而有所不同，仅供参考。

下降时间（tf单位ns）

SCL和SDA总线的下降沿，如图18所示。I2C协议中规定了在标准模式（Standard-mode）、快速模式（Fast-mode）、增强快速模式（Fast-mode Plus）下的范围，详情请参照表1。

图14. 上升沿（tr）下降沿（tf）规范

表1. I2C时间规范

表2. 常用上拉电阻阻值的tr、tf参考值(VDD=3.3V)

注：该值是总线上连接两片AT32MCU，一个作为主机，一个作为从机测试出来的值，实际可能会因为总线挂的设备数量、布线等差异而有所不同。

产生代码

点击产生代码，上诉配置的值，将会以代码的形式产生出来，如下图红框所示，只需要将右侧输出的代码替换到自己的程序即可。

图15. 代码产生

审核编辑：汤梓红